1 - малов'язкими масло; 2 - те ж масло з вязкостной
У системах змащення сучасних автомобільних двигунів застосовуються саме загущені всесезонні масла. При їх використанні потужність двигуна підвищується на 3-7% (що забезпечується високим індексом в'язкості і здатністю загущених масел знижувати в'язкість в парах тертя при високих швидкостях зсуву), полегшується пуск і скорочується час прогріву, знижуються механічні втрати на тертя, і, як наслідок, витрата палива, збільшуються довговічність деталей і термін служби масел. Економія палива досягає 5% при великих пробігах і 15% при коротких пробігах в зимовий час з частими пусками двигуна (рис. 5).
Мал. 5. Зниження витрат на бензин під час руху автомобіля
в міру прогріву двигуна
До недоліків загущених масел відносять низьку стабільність загущених присадок при високих температурах, що викликає погіршення вязкостно-температурних характеристик масел при тривалій беззмінною роботі їх в двигунах.
Індекс в'язкості (ІВ), що оцінює в'язкісно-температурні властивості масел, є умовним показником, що характеризує ступінь зміни в'язкості масла в залежності від температури і визначається шляхом порівняння в'язкості даного масла з двома еталонними маслами, в'язкісно-температурні властивості одного з яких прийняті за 100, а другого - за 0 одиниць.
Індекс в'язкості визначають по номограмі (рис. 6), розрахунковим шляхом або за спеціальними таблицями. Для визначення ІВ по номограмі необхідно знати значення кінематичної в'язкості масла при температурах +50 ° С і +100 0 С.
Мал. 6. Номограма для визначення індексу в'язкості моторних масел
Чим вище ІВ, тим більш пологою кривою (рис. 7) характеризується масло і тим краще його вязкостно-температурні властивості. З двох масел з однаковою в'язкістю при температурі +100 ° С, але з різними ІВ, одне (1) можна застосовувати тільки в теплу пору, так як при низьких температурах воно втрачає рухливість, а інше (2) - всесезонно, так як воно забезпечить легкий пуск двигуна при низьких температурах повітря і рідинне тертя при робочих температурах.
Мал. 7. Залежність в'язкості моторних масел від температури
для різних значень індексу в'язкості: 1 - ІВ 90; 2 - ІВ 140
З огляду на ту обставину, що в'язкість масла і індекс в'язкості визначають працездатність вузла тертя, то в стандартах на олії ці параметри нормуються в кількісному вираженні. Для автомобільних масел ІВ повинен бути не менше 90.
Тому при виробництві моторних масел необхідно будь-якими доступними й ефективними методами зменшити завісімостьвязкості масла від температури, т. Е. Збільшити їх ІВ і понізітьтемпературу застигання. Це стосується в першу чергу до зимовими гарєєвим маркам масел.
Температурні характеристики моторних масел наступні:
Температура спалаху - найнижча температура, при якій пари, що нагрівається в стандартних умовах масла утворюють з повітрям суміш, яка спалахує від відкритого вогню, але швидко гасне через недостатньо інтенсивного випаровування.
Температура займання - та температура, при якій пари, що нагрівається в стандартних умовах масла утворюють з повітрям таку суміш, яка запалюється і горить від відкритого вогню не менше 5 с. Температура спалаху є показником пожежонебезпечного масла. По ній можна судити про присутність в маслі летючих фракцій, які можуть швидко випаровуватися в працюючому двигуні і збільшувати витрата масла на чад. Зниження температури спалаху масла свідчить про розбавлення масла паливом.
Температура застигання (температура початку плинності) - найнижча температура, при якій масло ще володіє деякою плинністю. Обумовлена в стандартних умовах температура застигання на 3 ° С вище за діючу ціну температури затвердіння, при якій протягом 5 з масло знаходиться в нерухомому стані.
Температура помутніння - та, при якій з'являються дрібні кристали парафіну і масло мутніє. В подальшому кристали утворюють каркас і масло втрачає рухливість. Між кристалами масло залишається ще рідким і при сильному струшуванні плинність масла може відновитися. Температура помутніння залежить від швидкості охолодження, термічної обробки масла і від механічних впливів.
Температура застигання служить граничної мінімальної температурою розливання і, частково, експлуатації масла. Мінімальна температура експлуатації моторних масел визначається по низькотемпературним характеристикам в'язкості і перекачування.
Застигання - властивість, що визначає втрату плинності масла. При зниженні температури до певної величини плинність масла знижується, а при подальшому зниженні воно застигає. Зі збільшенням в'язкості масла з нього виділяються найбільш високоплавкі вуглеводні (парафін, церезин), а при повній втраті плинності масла мікрокристали твердих вуглеводнів (парафіну) утворюють просторову кристалічну решітку, яка б пов'язала все масло в єдину нерухому масу.
Температуру, при якій масло втрачає текучість, називають температурою застигання. Нижній температурний межа застосування масла приблизно на 8-12 ° С вище температури застигання, тобто .:
де: t ів - нижній температурний межа навколишнього повітря (застосування даної марки моторного масла), 0 С;
t3 - температура застигання певної марки масла, що регламентується стандартом, 0 С.
Зниження температури застигання масел домагаються шляхом депарафінізації (часткового видалення парафінів) або додаванням присадок-депрессоров в процесі їх виробництва. Депрессори запобігають утворенню кристалічної решітки, коли кристали парафіну об'єднуються в об'ємні структури. Знижуючи температуру застигання масла, депрессори не впливають на його в'язкісні властивості.
Протизносні (змащувальні) властивості характеризують здатність масла перешкоджати зносу поверхонь тертя. Утвориться на поверхнях, що труться міцна плівка виключає безпосередній контакт деталей. Високі протизносні властивості масла особливо затребувані при невеликих частотах обертання колінчастого вала, коли високі питомі навантаження, а також коли геометричні форми або розміри деталей мають суттєві відхилення, що загрожує задираками, схоплюванням і руйнуванням, що труться.
Протизносні властивості масла залежать від його в'язкості, в'язкісно-температурною характеристики, здатності, що змазує, чистоти масла.
З підвищенням температури масла адсорбційний шар послаблюється, а при досягненні критичної температури 150-200 ° С, на межі міцності плівки і сухого тертя, руйнується. Масла з високими протизносними властивостями здатні формувати для попередження зношування такий режим тертя, який виключає безпосередній контакт поверхонь тертя металів. Тому можливе в даному випадку зношування викликається циклічністю навантажень на окремих ділянках поверхонь тертя і втомного руйнування металу (втомні тріщини в галтелях колінчастих валів).
Про здатності, що змазує ( «маслянистості») масла судять по його хімічним складом, в'язкості, наявності присадок. На жирність впливають містяться в оліях і володіють високими поверхнево-активними властивостями смолисті речовини, високомолекулярні кислоти, сірчисті з'єднання.
Правильний вибір в'язкості масла в значній мірі впливає на швидкість зношування. Високов'язкі масла при низькій температурі загустевают і погано надходять до поверхонь, що труться деталей. У той же час пуск і прогрів двигуна на менш в'язких (рідких) маслах полегшується, режим рідинного тертя настає швидше.
Для зниження втрат на тертя в моторні масла вводять антифрикційні присадки, основою яких служать беззольні органічні сполуки, що містять благородні елементи (нікель, кобальт, хром, молібден). Малорозчинні поверхнево-активні речовини такого типу утворюють у вузлах тертя багатошарові захисні плівки з впровадженням легуючих металів в зону тертя. Особливе місце при цьому належить молібдену, атоми якого здатні зв'язувати атоми заліза і утворювати структури, стійкі до питтингов (місцевим викришування металу), фреттинг-корозії та ін. Більш того, тільки цей метал утворює в результаті окислення поверхневих шарів оксиди, температура плавлення і твердість яких на порядок нижче, ніж у металу поверхні тертя.
Мастильні властивості моторного масла. як і масел для інших машин і механізмів, обумовлені його в'язкістю і олійністю, вплив і механізм дії яких різні.
В'язкість як властивість, пов'язане з внутрішнім (молекулярним) тертям, проявляє себе при рідинному (гидродинамическом) терті. Жирність ж масла важлива при виникненні граничного тертя. У цих умовах міцність масляної плівки є вирішальним фактором, що перешкоджає безпосередньому контакту тертьових деталей.
Встановлено, що міцність масляної плівки залежить від полярної активності молекул масла, т. Е. Від їх здатності утворювати міцні шари строго орієнтованих молекул.
Орієнтовний поле полярно-активних молекул утворює на поверхні деталей, що труться своєрідний ворс. Чим довше полярно-активні молекули масла і чим міцніше вони з'єднуються з поверхнею деталей, що труться, тим вище жирність масла. Але це дуже спрощене пояснення, що дозволяє зрозуміти лише основну сутність цього явища.
Насправді в реальних умовах виникають зазвичай не мономолекулярні, а мультимолекулярних орієнтовані шари, в яких внутримолекулярное тертя набуває особливого характеру, що полягає в тому, що відбувається тертя між окремими шарами молекул, а не між окремими молекулами. При відповідному підборі полярно-активних речовин, що входять в масло, число шарів може доходити до тисячі і більше, а їх сумарна товщина до 1,5-2 мкм. З підвищенням температури верхні шари, які не мають міцного зв'язку з поверхнею деталі, дестабілізуються і руйнуються, але перший мономолекулярний шар зруйнувати важко.
Експериментально встановлено, що коефіцієнт тертя між деталями мало залежить від числа мономолекулярних шарів і практично однаковий як при одному, так і при декількох десятках таких шарів. Цим можна пояснити той факт, що досить додати в масло дуже небагато речовин, що володіють високою полярної активністю, як жирність масла, т. Е. Міцність його масляної плівки різко зростає.
Процеси, пов'язані з олійністю, вивчають на спеціальних машинах тертя. Кількісне визначення змащувальних властивостей масел ведуть за допомогою четирехшаріковой машини (ГОСТ 9490-75 *). Принцип дії цієї машини полягає в наступному.
Три кульки діаметром 12,7 мм зі сталі ШХ-15 (підшипникової серії) встановлюють нерухомо у вигляді трикутника в спеціальній чашеобразной обоймі, в яку потім наливають випробувані масло. На ці кульки накладають зверху такий же кулька (четвертий), закріплений в обертовому, як у дриля, шпинделі.
Частота обертання шпинделя 1460 ± 70 хв -1. Провертання нижніх кульок при випробуванні не допускається.
На четирехшаріковой машині проводять серію визначень, кожне з яких виконують на новій пробі випробуваного масла і нових кульках. На машині визначають критичне навантаження, навантаження зварювання, індекс задирака і показник зносу. При визначенні перших трьох параметрів тривалість випробувань становить 10
Індекс задирака і критичне навантаження характеризують здатність масла захищати тертьові поверхні від ушкоджень і задирів, а навантаження зварювання оцінює граничне навантаження, яке може витримати дане масло. Показник зносу визначає вплив мастильного матеріалу на зношування змащуваних поверхонь.
Його оцінюють по діаметру плям (слідів) на всіх трьох нижніх кульках. Вимірювання здійснюють за допомогою мікроскопа з 24-кратним збільшенням та відлікової шкалою з ціною поділки не більше 0,01 мм. Кожна пляма вимірюють в двох напрямках: в напрямку ковзання і перпендикулярному йому.
Результатом вважається середнє арифметичне всіх вимірювань за трьома нижнім кулькам.
Принцип дії четирехшаріковой машини показаний на рис. 8.
Мал. 8. Принцип дії четирехшаріковой машини
для визначення протизносних і протизадирних властивостей масел:
а - схема навантаження кульковою піраміди; б - схема
четирехшаріковой обойми; в - конструкція основного вузла;